Colpitts oscilators

Oscilators ir mehāniska vai elektroniska konstrukcija, kas rada svārstības atkarībā no dažiem mainīgajiem. Mums visiem ir ierīces, kurām nepieciešami oscilatori, piemēram, tradicionālais pulkstenis vai rokas pulkstenis. Dažādu veidu metāla detektori, datori, kuros iesaistīti mikrokontrolleri un mikroprocesori, izmanto oscilatorus, īpaši elektronisko oscilatoru, kas rada periodiskus signālus. Iepriekšējās apmācībās mēs apspriedām dažus oscilatorus:

• RC fāzes maiņas oscilators
• Veina tilta oscilators
• Kvarca kristāla oscilators
• Fāzes nobīdes oscilatoru ķēde
• Sprieguma kontrolēts oscilators (VCO)

Colpitts oscilatoru izgudroja amerikāņu inženieris Edwin H. Colpitts 1918. Colpitts oscilatoru darbu ar kombināciju indukcijas spoļu un kondensatoru, ko veido LC filtru. Kolpitsa oscilators sastāv no pastiprināšanas ierīces, un izeja ir savienota ar LC ķēdes atgriezeniskās saites cilpu. Colpitts oscilators ir lineārs oscilators, kas rada sinusoidālu viļņu formu.

Tvertnes ķēde

Galvenā Colpitts oscilatora svārstību ierīce ir izveidota, izmantojot tvertnes ķēdi. Tvertne ķēde sastāv no trim Components-a induktors un divi kondensatori. Divi kondensatori ir savienoti virknē, un šie kondensatori ir tālāk savienoti paralēli induktoram.

Iepriekš redzamajā attēlā ir parādīti trīs tvertnes ķēdes komponenti ar pareiziem savienojumiem. Process sākas ar divu kondensatoru C1 un C2 uzlādi. Tad tvertnes ķēdē šie divi sērijas kondensatori izlādējas paralēlajā induktorā L1 un kondensatorā uzkrāto enerģiju pārnes uz induktoru. Paralēli savienotā kondensatora dēļ induktors, kuru tagad izlādē divi kondensatori, un kondensatori atkal sāk uzlādēt. Šī uzlāde un izlāde abos komponentos turpinās un tādējādi nodrošina svārstību signālu pāri tai.

Svārstības ir ļoti atkarīgas no kondensatoriem un induktora vērtības. Zemāk ir formulēta svārstību frekvence:

F = 1 / 2π√LC

kur F ir frekvence un L ir induktors, C ir kopējā ekvivalentā kapacitāte.

Ekvivalento divu kondensatoru kapacitāti var noteikt, izmantojot

C = (C1 x C2) / (C1 + C2)

Šajā svārstību fāzē tvertnes ķēdē rodas daži enerģijas zudumi. Lai kompensētu šo zaudēto enerģiju un uzturētu svārstības tvertnes ķēdē, ir nepieciešama pastiprināšanas ierīce. Lai kompensētu enerģijas zudumu tvertnes ķēdē, tiek izmantoti daudz dažādu pastiprināšanas ierīču veidi. Visizplatītākās pastiprināšanas ierīces ir tranzistori un operatīvie pastiprinātāji.

Tranzistoru bāzes Colpitts oscilators

Iepriekš redzamajā attēlā parādīts uz tranzistora balstīts Colpitts oscilators, kur galvenā oscilatora pastiprināšanas ierīce ir NPN tranzistors T1.

Ķēdē bāzes spriegumam ir nepieciešami rezistori R1 un R2. Šie divi rezistori tiek izmantoti, lai izveidotu sprieguma dalītāju visā tranzistora T1 pamatnē. Rezistoru R3 izmanto kā izstarotāju. Šis rezistors ir ļoti noderīgs, lai stabilizētu pastiprināšanas ierīci termiskās dreifēšanas laikā. Kondensators C3 tiek izmantota kā emitera apvada kondensators, kas ir savienots paralēli ar rezistoru R3. Ja mēs noņemsim šo C3 kondensatoru, pastiprinātais maiņstrāvas signāls tiks nogāzts pāri rezistoram R3 un radīs sliktu pieaugumu. Tātad, kondensators C3 nodrošina vieglu ceļu pastiprinātam signālam. Atsauksmes no tvertnes ķēdes tiek tālāk savienotas, izmantojot C4, ar tranzistora T1 pamatni.

No Svārstības tranzistors balstītas Colpitts oscilatoru shēmas ir atkarīga fāzes nobīdes. Tas ir labi pazīstams kā oshilatora barkhauzena kritērijs. Saskaņā ar Barkhauzena kritēriju cilpas pieaugumam jābūt nedaudz lielākam par vienotību, un fāzes nobīdei ap cilpu jābūt 360 grādiem vai 0 grādiem. Tātad, šajā gadījumā, lai nodrošinātu svārstības visā izejā, kopējai ķēdei nepieciešams 0 grādu vai 360 grādu fāzes nobīde. Transistora konfigurācija kā kopējs izstarotājs nodrošina 180 grādu fāzes nobīdi, savukārt tvertnes ķēde veicina arī papildu 180 grādu fāzes nobīdi. Apvienojot šīs divfāžu nobīdes, kopējā shēma sasniedz 360 grādu fāzes nobīdi, kas ir atbildīga par svārstībām.

Atgriezenisko saiti var kontrolēt, izmantojot divus kondensatorus C1 un C2. Šie divi kondensatori ir savienoti virknē, un krustojums ir savienots ar barošanas zemi. Spriegums pāri C1 ir daudz lielāks nekā spriegums pāri C2. Mainot šīs divas kondensatora vērtības, mēs varam kontrolēt atgriezenisko spriegumu, kas tālāk tiek ievadīts atpakaļ tvertnes ķēdē. Atgriezeniskās saites sprieguma noteikšana ir izšķiroša ķēdes sastāvdaļa, jo mazais atgriezeniskā sprieguma daudzums neaktivizētu svārstības, turpretī liels atgriezeniskās saites sprieguma daudzums iznīcinātu izejas sinusoīdu un izraisītu traucējumus.

Colpitts oscilatoru var noregulēt, mainot induktivitātes un kapacitātes vērtību. Ir divi veidi, kā panākt, lai Colpitts oscilators darbotos mainīgā tūninga konfigurācijā.

Pirmais veids ir mainīt induktoru kā mainīgu induktoru, bet otrs veids ir mainīt kondensatorus kā mainīgu kondensatoru. Otrajā variantā, tā kā atgriezeniskās saites spriegums ir ļoti atkarīgs no C1 un C2 attiecības, ieteicams izmantot vienkāršu bandu. Tātad, ja vienā kondensatorā ir variācijas, arī otrais kondensators atbilstoši tam maina savu kapacitāti.

Op-Amp balstīts Colpitts oscilators

Iepriekš redzamajā attēlā ir parādīta op-amp balstīta Colpitts oscilatora shēma. Operatīvais pastiprinātājs ir apgrieztā konfigurācijas režīmā. Rezistori R1 un R2 tiek izmantoti, lai nodrošinātu nepieciešamo atgriezenisko saiti operacionālajam pastiprinātājam. Tvertnes ķēde ir savienota kopā ar vienu induktoru paralēli diviem sērijas kondensatoriem. Operatīvā pastiprinātāja ieeja ir savienota ar tvertnes ķēdes atgriezenisko saiti.

Darbība ir tāda pati kā apspriesta iepriekšminētajā tranzistorā balstītajā Colpitts oscilatora ķēdē. Startēšanas laikā op-amp pastiprina trokšņa signālu, kas ir atbildīgs par divu kondensatoru uzlādi. Op-amp pieaugums balstās Colpitts oscilatoru ir augstāka nekā Tranzisoti balstītas Colpitts oscilatoru.

Starpība starp Colpitts oscilatoru un Hārtlija oscilatoru

Colpitts oscilators ir ļoti līdzīgs Hārtlija oscilatoram, taču starp šiem diviem ir atšķirīga konstrukcija. Lai gan šīs divas oscilatora ķēdes sastāv no trim komponentiem kā tvertnes ķēde, bet Kolpitsa oscilators paralēli diviem kondensatoriem izmanto vienu induktoru, savukārt Hārtlija oscilators izmanto tieši pretēji, vienu kondensatoru paralēli diviem induktoriem virknē. Kolpitts oscilators augstfrekvences darbībā darbojas stabilāk nekā Hārtlija oscilators.

Colpitts oscilators ir lieliska izvēle augstas frekvences darbībā. Tas var radīt izejas frekvenci gan megahercu, gan kilohercu diapazonā.

Colpitts oscilatoru shēmas pielietošana

1. Sakarā ar grūtībām, kas saistītas ar vienmērīgu induktora un kondensatora variāciju, Colpitts oscilatoru galvenokārt izmanto fiksētas frekvences ģenerēšanai.

2. Colpitts oscilatoru galvenokārt izmanto mobilajās vai citās radiofrekvenču kontrolētās sakaru ierīcēs.

3. Augstas frekvences svārstībās Colpitts oscilators ir lieliska izvēle. Tādējādi uz augstas frekvences oscilatoru balstītas ierīces izmanto Colpitts oscilatoru.

4. Dažos gadījumos, kad papildus termiskai stabilitātei nepieciešama nepārtraukta un nenomākta svārstība, tiek izmantots Colpitts oscilators.

5. Tām lietojumprogrammām, kurām nepieciešams plašs frekvenču diapazons ar minimālu trokšņa līmeni.

6. Daudzos SAW balstītu sensoru tipos tiek izmantots Colpitts oscilators

7. Dažādu veidu metāla detektori izmanto Colpitts oscilatoru.

8. Ar frekvenču modulāciju saistīts radiofrekvenču raidītājs izmanto Colpitts oscilatoru.

9. Tam ir milzīgs pielietojums militārajā un komerciālajā kategorijā.

10. Mikroviļņu krāsnīs ir nepieciešamas arī signālu maskēšanas haotiskās ķēdes. Colpitts oscilators dažādos frekvenču diapazonos.